本发明专利技术公开了一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置；涉及一种煤矿瓦斯检测装置，具体地说，涉及一种基于甲烷（ＣＨ↓［４］）在近红外波段１６５３ｎｍ附近的特征吸收线的多点ＣＨ↓［４］浓度在线监测装置。本发明专利技术包括Ｄ／Ａ转换模块，ＤＦＢ激光器，１＊Ｎ光分路器，开放气室组，参考气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二锁相放大电路，第一、二Ａ／Ｄ转换模块，第一、二、三ＤＤＳ，ＭＣＵ，显示器，串口和计算机。与传统瓦斯气体监测装置相比，本发明专利技术具有较高的灵敏度、较高的气体鉴别能力、快速的响应能力、极强的抗干扰能力，以及易于形成网络等诸多优点，因而是目前最适宜于井下使用的一种瓦斯监测装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种煤矿瓦斯检测装置，尤其涉及一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯 多点在线检测装置；具体地说，涉及一种基于甲烷(CH4)在近红外波长1653nm 附近的特征吸收线而研制的煤矿瓦斯多点在线检测装置。
技术介绍
我国人口众多，矿产丰富；但煤矿瓦斯煤尘爆炸事故严重影响煤矿的安全生 产。煤矿中瓦斯的主要成分是CH4，约占83 89%，瓦斯是煤矿自然灾害的重要 根源。瓦斯达到一定浓度能使人窒息，遇火源爆炸；瓦斯爆炸还极易引起煤尘爆 炸。煤矿中瓦斯突出也是一种强烈的动力现象和严重的灾害，瓦斯事故已占全国 煤矿重大事故总数的70%以上；实时监测瓦斯气体含量、防止其爆炸意义重大。 为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡事故，必须设置能在线实 时快速检测甲垸气体浓度的仪器和设备。目前，我国绝大多数大型国有煤矿的瓦斯预警装置都是一种电催化探测装 置，然而长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校 期频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，因而需要开发一种能实时检测、 安全有效的传感技术。光纤气体传感技术是把光纤作为信号传输通道的传感技 术，是一项正在发展中的具有广阔前景的新型技术。由于光纤本身在传输信息过 程中具有许多特有的性质，如光纤传输信息时能量损耗很小，给远距离遥测带来很大的方便；光纤材料性能稳定，信号不受电磁场干扰，在高温、高压、低温、 强腐蚀等恶劣环境下保持不变；所以光纤传感器从问世到如今， 一直都在飞速地 发展°近年来，采用光纤传感原理设计的便携式光纤传感器和单点在线监测装置不 断问世，但存在成本过高、检测灵敏度不高、没有形成网络化等诸多缺点。
技术实现思路
本专利技术目的就在于克服现有煤矿瓦斯检测技术存在的缺点和不足，提供一种 基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置，它是一种灵敏度高、反应时间短、 成本低、稳定性和可靠性较高的，能够在线实时监测CH4浓度的高精度监测装置。本专利技术的目的是这样实现的 1、设计原理当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收 强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。根据Beer-Lambert定律，出射光强I与入射光强1。和气体的体积分数之间的关系式 为/ = /0 exp其中a (A)为气体吸收系数，即气体在一定波长;i处的吸收线型；L为吸收路径的长度；C为气体的浓度。通过各项推导以及傅里叶变换，得出它的一次谐波(f)和二次谐波(2f) 的系数分别为二次谐波与一次谐波的比值为々 7用二次谐波与一次谐波的比值作为装置的输出，可以获得气体浓度信息，并 且可以消除光源波动等共模噪声。装置的核心部分包括信号源、多点检测、参考气室、装置的控制与反馈、浓 度信号的处理。信号源采用DDS频率合成芯片，输出特定频率的正弦信号，并能控制输出信号的相位；采用光分路器将光源发出的光分为多束； 采用单光源、多气室、多探测器的结构；采用参考气室，通过单片机控制电子开关进行来回切换，通过对比参考气室 的谐波比值来得出当前气体的浓度，消除了电路参数的偏差带来的测量误差和激 光器波长漂移带来的误差，同时参考气室也检验传感系统是否正常工作；反馈主要有两路， 一路是通过检测谐波比值来调整信号的相位；另一路就是 通过参考气室的方法来锁定激光器的输出波长。2、 具体结构本专利技术包括D/A转换模块，DFB激光器，WN光分路器，开放气室组，参考 气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二锁相 放大电路，第一、二A/D转换模块，第一、二、三DDS， MCU，显示器，串口和 计算机；D/A转换模块与A/D转换模块均为MCU内置；MCU分别与第一、二、三DDS连接，并分别对其进行初始化；D/A转换模块和第一 DDS分别接DFB激光器并对其进行调谐；DFB激光器，WN光分路器，开放气室组和参考气室，光电探测器组，前置放大器组和电子开关前后依次连接，实现激光的分路、光电转换、放大和各通道之间的切换，再接带通滤波电路；带通滤波电路的输出分为两路 一路接第一锁相放大器，再接MCU内置的第一 A/D转换模块;另一路接第二锁相放大器，再接MCU内置的第二 A/D转换模块; 第二 DDS接第一锁相放大器，为第一锁相放大器提供10KHz参考信号；第三DDS接第二锁相放大器，为第二锁相放大器提供20KHz参考信号； MCU分别接显示器和串口；串口接计算机。3、 工作原理每种气体都有特定的吸收谱线，不同气体对光吸收使光产生不同的特性衰 减。本专利技术选用中心波长为1653nm的DFB激光器，DDS —路10KHz正弦信号滤 除其中的直流成分以及20KHz以上交流信号后调制到激光器上；通过D/A控制激 光器的偏置电流，以此调节激光器的波长，使其对准CH4气体吸收的中心波长，以达到谐波最大值；用户将开放气室组多点地放入井下，激光通过单模光纤传输 到气室，由于气体的吸收效应，出射光带有气体的浓度信息，通过探测器将光信 号转化为电信号，经前置放大后再经过带通滤波电路进入锁相放大电路；第一、 第二 DDS分别提供10KHz和20KHz正弦信号，通过比较器后得到占空比为50%的 10KHz和20KHz方波信号，分别作为第一、第二锁相放大电路的参考信号，解调 出检测信号中的10KHz和20KHz正弦信号；解调出来的10kHz和20kHz信号分别 经过积分放大电路，滤除交流成分，经MCU的A/D转换模块处理，即可得10kHz 和20kHz信号幅度，得到20KHz与10KHz信号比值，通过数据处理得出气体浓度 值。本专利技术具有下列优点和积极效果1、 采用中心波长为1653nm的DFB激光器作光源，谱宽较窄，光能主要集中 在甲烷吸收线1653nm处；2、 采用带微孔滤膜的开放气室，气体可以通过微孔滤膜进入气室，气体浓 度跟环境气体浓度保持一致，能很好地实现实时在线监测，而且微孔滤膜还具有 防尘防潮的作用，对气室上的准直器具有保护功能；3、 采用单光源多气室多探测器的结构，具有易于扩展，成本低的优点；4、 采用参考气室，参考气室中充满标准浓度的C仏气体，可以消除激光器 波长漂移带来的误差；5、 信号源采用DDS频率合成芯片，输出特定频率的正弦信号，并能控制输 出信号的相位；6、 采用光纤传输，光纤材料性能稳定，信号不受电磁场干扰，在高温、高 压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变，光纤传输信息时能量损耗很小，给远 距离遥测带来很大的方便。7、 仅开放气室组放置井下，其它功能块都可以放置在地面控制室，实现远 程遥控，实时监测，最大限度保证了人员安全；8、 本装置测试甲烷浓度，分辨率能达到100ppm，单通道响应时间达到5s。 总之，与传统瓦斯气体监测装置相比，本专利技术具有较高的灵敏度、较高的气体鉴别能力、快速的响应能力、极强的抗干扰能力，以及易于形成网络等诸多优 点，因而是目前最适宜于井下使用的一种瓦斯监测装置。附图说明图l是本专利技术结构框图； 图2是开放气室结构图。其中1一D/A转换模块；2— DFB激光器；3— 1*N光分路器；4— 开放气室组，4.1—单模传输光纤，4.2—准直器， 4.3—六边形气室支架, 4. 4一微孔滤膜， 4. 5—带孔不锈钢管体；5— 参考气本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置，其特征在于： 包括Ｄ／Ａ转换模块，ＤＦＢ激光器，１＊Ｎ光分路器，开放气室组，参考气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二锁相放大电路，第一、二Ａ／Ｄ转换模块，第一、 二、三ＤＤＳ，ＭＣＵ，显示器，串口和计算机；Ｄ／Ａ转换模块与Ａ／Ｄ转换模块均为ＭＣＵ内置； ＭＣＵ分别与第一、二、三ＤＤＳ连接，并分别对其进行初始化； Ｄ／Ａ转换模块和第一ＤＤＳ分别接ＤＦＢ激光器并对其进行调谐； ＤＦＢ激 光器，１＊Ｎ光分路器，开放气室组和参考气室，光电探测器组，前置放大器组和电子开关前后依次连接，实现激光的分路、光电转换、放大和各通道之间的切换，再接带通滤波电路； 带通滤波电路的输出分为两路：一路接第一锁相放大器，再接ＭＣＵ内置的第一 Ａ／Ｄ转换模块；另一路接第二锁相放大器，再接ＭＣＵ内置的第二Ａ／Ｄ转换模块； 第二ＤＤＳ接第一锁相放大器，为第一锁相放大器提供１０ＫＨｚ参考信号；第三ＤＤＳ接第二锁相放大器，为第二锁相放大器提供２０ＫＨｚ参考信号； ＭＣＵ分别接 显示器和串口；串口接计算机； ＤＦＢ－分布反馈式； ＤＤＳ－直接数字频率合成器； ＭＣＵ－微控制器。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：樊士彬，黄国涛，林楠，宋玲艳，向雄，曾宪勇，
申请(专利权)人：武汉电信器件有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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